響應面法優化核桃粕油脂提取工藝

摘要：以冷榨核桃粕為原料，在單因素試驗基礎上，采用超聲波技術輔助乙醇提取餅粕中的油脂，以油脂提取得率為考察指標進行中心組合設計及響應面分析。結果表明，在料液比1 g ∶25 mL、提取溫度78 ℃的條件下，最佳提取工藝參數為超聲波時間43 min、超聲波功率90 W、乙醇濃度93%，在此條件下的油脂提取得率為9.34%。與索氏抽提法的油脂得率為9.87%相比，超聲波輔助乙醇提取核桃粕油脂的方案是可行的，并且對于深入開發安全、健康的核桃粕產品具有重要意義。

關鍵詞：響應面法；超聲波輔助提取；核桃粕；油脂；工藝優化

中圖分類號： O657.5 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2014）07-0274-03

收稿日期：2013-09-30

作者簡介：趙見軍（1988—），男，河南鹿邑人，碩士研究生，研究方向為農產品加工與貯藏。E-mail：729031039@qq.com。

通信作者：張有林，教授，博士生導師，研究方向為食品科學。E-mail：youlinzh@snnu.edu.cn。核桃（Juglans regia L.）別稱胡桃、羌桃，屬胡桃科胡桃屬植物，與扁桃、腰果、榛子并列為世界四大干果[1]。中國核桃資源豐富，在大部分地區都有分布，但以云南、山西、四川、河北、新疆、陜西等省居多。核桃是一種營養和經濟價值都很高的珍貴果木，據分析，核桃仁含有豐富的營養成分，其中脂肪含量60%～70%，高于大豆、芝麻、花生、油菜等油料作物；此外，蛋白質含量15%～20%，碳水化合物含量10%左右，纖維素含量60%左右，含有人體必需的維生素A、維生素E、維生素D、維生素K等多種維生素[2]，鉀、鈉、鋅、鈣、磷、鐵、硒等礦質元素含量較高，且含有肌醇、咖啡酸等活性成分[3]，銅、錳含量適中。作為冷榨后的副產物，核桃粕保留了核桃仁的主要營養成分，脫脂核桃粕蛋白含量高達53.89%[4]，核桃蛋白中含有18種氨基酸，其中有8種為人體必需氨基酸，精氨酸和谷氨酸含量很高[5]，表現出很高的營養價值，具有很好的開發前景。但核桃粕殘油較高，在空氣中易氧化產生不良氣味而難以保存[6]。目前大部分優質核桃粕的利用方式是直接當作飼料和肥料，浪費了許多優質蛋白質資源[7]，因而充分綜合利用核桃資源，提高核桃的經濟與營養價值，對核桃粕進行深加工研究顯得尤為重要。

冷榨制油技術是一種直接將未經軋胚或蒸炒的油料在室溫至65 ℃之間經低溫榨油機壓榨而獲得具有營養價值、分子結構未發生變化的油脂和餅粕的制油技術。該技術天然、安全、無污染，加工工藝較簡單，對環境影響較小，并可節約生產成本（約為熱榨的1/3）[8]。冷榨制油法屬于物理方法，加壓而不升溫，對油脂營養物質沒有影響[9]。但冷榨餅粕殘油高，冷榨餅的殘油約為12%～20%，為熱榨餅的2～3倍。加大冷榨壓力或增加壓榨次數可降低冷榨餅的殘油，同時也降低了冷榨溫度和冷榨油的品質，這樣的改變有悖與整個冷榨工藝的原始目的，顯然是不可采用的[10]。索氏抽提法是國標中測定脂肪含量的方法，通過此法測定脂肪含量可以為優化超聲波輔助提取核桃粕中油脂提取工藝提供參照。超聲波提取是應用超聲波強化提取植物的有效成分，是一種物理破碎過程，主要對媒質產生獨特的機械振動作用和空化作用[11]，該提取技術作為一項高效的輔助提取技術在植物有效成分提取中應用較廣。乙醇具有易制備、易回收、無污染等優點，在替代正己烷、正丁烷等有害溶劑作為植物油脂浸提溶劑上有很大的應用潛力。

響應面法（response surface methodology，RSM）是一種優化工藝條件的有效方法，通過中心組合設計（CCD）試驗，將多因素試驗中因素與水平之間的相互關系用多項式進行擬合，然后對函數的響應面進行分析，可以準確地描述因素與響應值之間的關系[12-13]。RSM是數學方法和統計方法結合的產物，用來對所感興趣的響應受多個變量影響的問題進行建模和分析，其最終目的是優化該響應值[14]。1996年，Khuri和Comelly已經對響應面法進行了比較全面系統的論述[15]。如今，RSM在化學工業、生物學、醫學以及生物制藥領域得到了廣泛應用[16-18]，同時，食品學、工程學、環境科學等方面也都涉及到了響應面法的應用[19-21]。本試驗以乙醇為提取劑，采用超聲波輔助乙醇提取二次冷榨核桃粕中的油脂，在單因素試驗的基礎上，應用RSM對提取工藝進行了優化。

1材料與方法

1.1材料與儀器

冷榨核桃粕為香菱冷核桃品種取仁、采用冷榨法榨取核桃油后的剩余物，經測定含有13%粗脂肪、56%蛋白質、46%水分、6.7%灰分、5.2%粗纖維；試驗用試劑為國產分析純。

試驗用儀器有：KQ-3200DE數控超聲波清洗儀，江蘇省昆山市超聲儀器有限公司；PL203電子分析天秤，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；LXJ-IIB離心機，上海安亭實驗儀器有限公司；RE-52旋轉蒸發器，上海安亭實驗儀器有限公司；TU-1810紫外分光光度計，北京普析通用儀器有限責任公司；NH-S4數顯恒溫水浴鍋，北京科偉永興儀器有限公司。

1.2核桃粕中粗脂肪的測定

對待測樣品進行預先干燥，采用索氏抽提法，以石油醚作提取劑，沸程為30～60 ℃。在提取溫度45 ℃、提取時間4 h、浸提次數6次的條件下，測定核桃粕中總脂肪為9.87%。

1.3冷榨核桃粕中油脂提取方法

1.3.1超聲波輔助乙醇提取油脂工藝流程冷榨核桃粕→烘干→粉碎→過100目篩→超聲波輔助提取→離心→分離→濃縮（旋蒸）→干燥→測定含量。

1.3.2油脂得率計算方法油脂得率的計算公式為：

得率=提取油質量核桃粕質量×100%。

1.3.3超聲波輔助提取油脂試驗設計前期的單因素試驗結果表明，影響核桃油脂得率的主要因素有：超聲波時間、超聲波功率及乙醇濃度。因此在固定料液比為1 g ∶25 mL、提取溫度78 ℃條件下，以超聲波時間、超聲波功率及乙醇濃度作為研究對象，以核桃油脂得率為響應值設計響應面因素水平表，進行響應面試驗，通過試驗數據的二次回歸擬合分析各因素的主效應和交互效應，得出最佳工藝參數。

2結果與分析

2.1響應面分析法優化工藝試驗設計及結果

單因素試驗確定響應面試驗的因素的水平取值見表1，采用Box-Behnken中心組合進行3因素3水平試驗，結果見表2。準確稱取100 g核桃粕樣品，按照試驗設計加入乙醇溶液，并調整相應試驗設計功率，提取完成后測定油脂得率，響應面試驗設計結果分析見表3。

由圖1可以看出，在提取溫度為78 ℃、料液比為 1 g ∶25 mL 的條件下，冷榨核桃餅中油脂得率隨著超聲波時間、超聲波功率的增加而減少，在較短的超聲波時間內油脂得率較低；超聲波功率較低或較高時，均不利于油脂的溶出。

由圖2可知，在提取溫度為78 ℃、料液比為1 g ∶25 mL的條件下，冷榨核桃餅中油脂得率隨乙醇濃度、超聲波時間的增加而減少，且超聲波作用時間越短，油脂得率越低，較高的作用時間有利于提高油脂得率；在低濃度或高濃度乙醇溶液下，油脂得率均較低。

由圖3可知，在提取溫度為78 ℃、料液比為1 g ∶25 mL條件下，核桃油的得率隨乙醇濃度、超聲波功率的增加而先增加后減少。一定范圍內超聲波的高頻振蕩及沸騰的高濃度乙醇利于油脂分子的溶出。

2.3最佳提取工藝及驗證試驗

在料液比1g ∶25mL、提取溫度78 ℃條件下，以油脂得率為指標，通過MATLAB分析得出回歸模型，用Design-Expert進行響應面分析，得到最佳提取工藝為超聲波時間 43.42 min，超聲波功率89.58 W，乙醇濃度9289%，在此條件下油脂提取得率為9.35%。為了試驗操作方便，確定驗證試驗的工藝為超聲波時間43 min，超聲波功率90 W，乙醇濃度93%，提取溫度78 ℃，料液比1 g ∶25 mL，重復試驗6次，油脂平均得率為9.34%，與回歸方程預測值（9.357 8%）非常接近，也與索氏抽提法油脂得率（987%）相差不大。

3結論

在料液比1 g ∶25 mL、提取溫度為78 ℃的條件下，超聲波輔助乙醇提取核桃粕中油脂的最佳工藝為超聲波時間 43.42 min，超聲波功率89.58 W，乙醇濃度92.89%，相應的油脂提取得率為9.35%，調整后的最佳工藝為超聲波時間 43 min，超聲波功率90 W，乙醇濃度93%，此條件下油脂得率為9.34%，與預測值非常接近，也與索氏抽提法結果相差不大，從而驗證了所建回歸模型的正確性，也充分證明了超聲波輔助提取替代索氏抽提法提取油脂方法的可行性，為深入開發安全、健康的核桃粕產品提供了參考。

參考文獻：

[1]黃黎慧，黃群，孫術國，等. 核桃的營養保健功能與開發利用[J]. 糧食科技與經濟，2009，34（4）：48-50.

[2]郗榮庭，張毅萍. 中國果樹志：核桃篇[M]. 北京：中國林業出版社，1992：54-56.

[3]許維升. 核桃優良品種及其豐產優質栽培技術[M]. 北京：中國林業出版社，1998：26-29.

[4]杜蕾蕾，郭濤，萬輝，等. 冷榨核桃餅中核桃蛋白的提取與純化的研究[J]. 糧油加工，2008（10）：79-81.

[5]姜莉，徐懷德，陳金海，等. 核桃多肽的制備及核桃多肽酒的研制[J]. 食品科學，2009（8）：307-310.

[6]莊艷玲，王淑蘭，梁紹隆，等. 脫脂核桃粕制作低脂高蛋白核桃粉的工藝研究[J]. 食品科學，2004，25（9）：218-219.

[7]陳金海，徐懷德，李艷伏，等. 堿性蛋白酶酶解核桃粕蛋白產物抗氧化特性研究[J]. 西北農業學報，2010，19（11）：88-92.

[8]劉光憲，馮健雄，閔華，等. 冷榨制油技術研究進展[J]. 江西農業學報，2009，21（12）：134-136.

[9]劉林，邱樹毅，周鴻翔. 油料冷榨技術的研究進展[J]. 糧油加工，2010（9）：5-8.

[10]忻耀年. 油料冷榨的概念和應用范圍[J]. 中國油脂，2005，30（2）：20-22.

[11]汪茂田，謝培山，王忠東，等. 天然有機化合物提取分離與結構鑒定[M]. 北京：化學工業出版社，2004：36.

[12]Mohana S，Shrivastava S，Divecha J，et al. Response surface methodology for optimization of medium for decolorization of textile dye Direct Black 22 by a novel bacterial consortium[J]. Bioresource Technology，2008，99（3）：562-569.

[13]Chavalparit O，Ongwandee M. Optimizing electrocoagulation process for the treatment of biodiesel wastewater using response surface methodology[J]. Journal of Environmental Sciences，2009，21（11）：1491-1496.

[14]Montgomery D C. Design and analysis of esperiments[M]. 傅鈺生，譯. 北京：人民郵電出版社，2007：405-425.

[15]Xiao W H，Han L J，Bo S. Optimization of microwave-assisted extraction of flavonoid from Radix Astragali using response surface methodology[J]. Separation Science and Technology，2008，43（12）：671-681.

[16]Myers R H. Response surface methodology：current status and future directions[J]. Journal of Quality Technology，1999，31（1）：30-44.

[17]Aghaie E，Pazouki M，Hosseini M R，et al. Response surface methodology（RSM）analysis of organic acid production for Kaolin beneficiation by Aspergillus niger[J]. Chemical Engineering Journal，2009，147（2/3）：245-251.

[18]周桂芬，呂圭源，陳素紅. 響應面分析法優選當歸切制工藝的研究[J]. 中華中醫藥學刊，2010，28（2）：426-428.

[19]王明艷，張小杰，王濤，等. 響應面法優化香椿葉多糖的提取條件[J]. 食品科學，2010，31（4）：106-110.

[20]黃靚，易偉建，汪優. 巖土工程可靠度分析的改進響應面法研究[J]. 巖土力學，2008，29（2）：370-374.

[21]王玉峰，陳克復，莫立煥，等. 響應面法優化絮凝處理造紙法煙草薄片廢水[J]. 中華紙業，2013（2）：34-39.